ГЛАВА 7 КВАНТОВООПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ФИЗИКА АТОМА § 34. ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Основные формулы • Закон Стефана — Больцмана Мe=T4 где Me — энергетическая светимость черного тела; Т — термодинамическая температура; — постоянная Стефана — Больцмана [ = 5,67*10-8 Вт/(м2*К4)]. • Энергетическая светимость серого тела Мe=εT4 где ε — коэффициент теплового излучения (степень черноты) серого тела. • Закон смещения Вина λm=b/T, где λm — длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения; b—постоянная закона смещения Вина (b=2,9010-3 м*К). • Формула Планка 2hc 2 где Mλ,T , M,T— спектральные плотно e 1 сти энергетической светимости черного тела; λ — длина волны; — кругоh ` 3 1 вая частота; с— скорость света в вакуM ,T 2 2 h ` /( kT ) 4 c e 1 уме; k — постоянная Больцмана; Т — термодинамическая температура; h—постоянная Планка; ħ=h/(2π) постоянная Планка, деленная на 2π*. • Зависимость максимальной спектральной плотности энергетической светимости от температуры (Mλ,T)max=CT5, где С—постоянная [С= 1,30*10-5 Вт/м3*K5)]. M , 5 1 hc /( kT ) *Первоначально постоянной Планка называлась величина h=6,63*10-34Дж*с. Позднее постоянной Планка стали называть также величину ħ=h/(2π)=1,05*10-34 Дж*с. При дальнейшем изложении в данном пособии все больше будет отдаваться предпочтение величине ħ. 360 Примеры решения задач Пример 1. Исследование спектра излучения Солнца показывает, что максимум спектральной плотности энергетической светимости соответствует длине волны λ=500 нм Принимая Солнце за черное тело, определить. 1) энергетическую светимость Me Солнца; 2) поток энергии Фе, излучаемый Солнцем; 3) массу т электромагнитных волн (всех длин), излучаемых Солнцем за 1 с. Решение 1. Энергетическая светимость Me черного тела выражается формулой Стефана — Больцмана Мe=T4 (1) Температура излучающей поверхности может быть определена из закона смещения Вина. λm=b/T. Выразив отсюда температуру Т и подставив ее в формулу (1), получим Мe= (bλm)4, (2) Произведя вычисления по формуле (2), найдем Мe =64 МВт/м2. 2. Поток энергии Фе, излучаемый Солнцем, равен произведению энергетической светимости Солнца на площадь S его поверхности. Фе = 4πr2Me , (3) где r — радиус Солнца Подставив в формулу (3) значения π, r и Мe и произведя вычисления, получим Фе =3,9*1026 Вт. 3. Массу электромагнитных волн (всех длин), излучаемых Солнцем за время t=1 с, определим, применив закон пропорциональности массы и энергии Е=тс2. Энергия электромагнитных волн, излучаемых за время t, равна произведению потока энергии Ф (мощности излучения) на время Е=Фt. Следовательно, Фе = тс2, откуда т= Фе /с2 Произведя вычисления по этой формуле, найдем m = 4,3*109 кг. Пример 2. Длина волны λm , на которую приходится максимум энергии в спектре излучения черного тела, равна 0,58 мкм. Определить максимальную спектральную плотность энергетической светимости (Mλ,T)max , рассчитанную на интервал длин волн ∆λ=1нм, вблизи λm. 361 Решение. Максимальная спектральная плотность энергетической светимости пропорциональна пятой степени температуры Кельвина и выражается формулой (Mλ,T)max = СТ5. (1) Температуру Т выразим из закона смещения Вина λm =b/Т, откуда Т=b/λт Подставив полученное выражение температуры в формулу (1), найдем (Mλ,T)max=C(b/λm)5, В табл. 24 значение С дано в единицах СИ, в которых единичный интервал длин волн ∆λ=1 м. По условию же задачи требуется вычислить спектральную плотность энергетической светимости, рассчитанную на интервал длин волн 1 нм, поэтому выпишем значение С в единицах СИ и пересчитаем его на заданный интервал длин волн: С=1,30*10-5 Вт/(м3К5)=1,30*10-5 Вт/(м2*м*K5) = =1,30*10-14 Вт/(м2*нм*К5). Вычисление по формуле (2) дает (rλ,T)max=40,6 кВт/(м*нм). Задачи Закон Стефана—Больцмана 34.1. Определить температуру Т, при которой энергетическая светимость Me черного тела равна 10 кВт/м2 . 34.2. Поток энергии Фе, излучаемый из смотрового окошка плавильной печи, равен 34 Вт. Определить температуру Т печи, если площадь отверстия S = 6 см2. 34.3. Определить энергию W излучаемую за время t= 1 мин из смотрового окошка площадью S=8 см2 плавильной печи, если ее температура T=1,2 кК. 34.4. Температура Т верхних слоев звезды Сириус равна 10 кК, Определить поток энергии Фе, излучаемый с поверхности площадью S=1 км2 этой звезды. 34.5. Определить относительное увеличение ∆ Me/Me энергетической светимости черного тела при увеличении его температуры на 1%. 362 34.6. Во сколько раз надо увеличить термодинамическую температуру черного тела, чтобы его энергетическая светимость Me возросла в два раза? 34.7. Принимая, что Солнце излучает как черное тело, вычислить его энергетическую светимость Me и температуру Т его поверхности. Солнечный диск виден с Земли под углом =32’. Солнечная постоянная *С=1,4 кДж/(м2*с). * Солнечной постоянной называется величина, равная поверхностной плотности потока энергии излучения Солнца вне земной атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца. 34.8. Определить установившуюся температуру Т зачерненной металлической пластинки, расположенной перпендикулярно солнечным лучам вне земной атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца. Значение солнечной постоянной приведено в предыдущей задаче. 34.9. Принимая коэффициент теплового излучения в угля при температуре T=600 К равным 0,8, определить: 1) энергетическую светимость Me угля; 2) энергию W, излучаемую с поверхности угля с площадью S = 5 см2 за время t=10 мин. 34.10. С поверхности сажи площадью S = 2 см2 при температуре T=400 К за время t=5 мин излучается энергия W=83 Дж. Определить коэффициент теплового излучения ε сажи. 34.11. Муфельная печь потребляет мощность Р=1 кВт. Температура Т ее внутренней поверхности при открытом отверстии площадью S=25 см2 равна 1,2 кК. Считая, что отверстие печи излучает как черное тело, определить, какая часть мощности рассеивается стенками. 34.12. Можно условно принять, что Земля излучает как серое тело, находящееся при температуре T=280 К. Определить коэффициент теплового излучения ε Земли, если энергетическая светимость Me ее поверхности равна 325 кДж/(м2*ч). 34.13. Мощность Р излучения шара радиусом R= 10 см при некоторой постоянной температуре Т равна 1 кВт. Найти эту температуру, считая шар серым телом с коэффициентом теплового излучения ε =0,25. 363 Закон Вина. Формула Планка 34.14. На какую длину волны λm приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости (Mλ,T)max черного тела при температуре t=0°С? 34.15. Температура верхних слоев Солнца равна 5,3 кК. Считая Солнце черным телом, определить длину волны λm , которой соответствует максимальная спектральная плотность энергетической светимости (Mλ,T)max Солнца. 34.16. Определить температуру Т черного тела, при которой максимум спектральной плотности энергетической светимости (Mλ,T)max приходится на красную границу видимого спектра (λ1 =750 нм); на фиолетовую (λ2=380 нм). 34.17. Максимум спектральной плотности энергетической светимости (Mλ,T)max яркой звезды Арктур приходится на длину волны λm =580 нм. Принимая, что звезда излучает как черное тело, определить температуру Т поверхности звезды. 34.18. Вследствие изменения температуры черного тела максимум спектральной плотности (Mλ,T)max сместился с λ1=2,4 мкм на λ2=0,8 мкм. Как и во сколько раз изменились энергетическая светимость Me тела и максимальная спектральная плотность энергетической светимости? 34.19. При увеличении термодинамической температуры. Т черного тела в два раза длина волны λm на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости (Mλ,T)max , уменьшилась на ∆λ =400 нм. Определить начальную и конечную температуры T1 и T2. 34.20. Эталон единицы силы света — кандела — представляет собой полный (излучающий волны всех длин) излучатель, поверхность которого площадью S = 0,5305 мм2 имеет температуру t затвердевания платины, равную 1063 °С. Определить мощность Р излучателя. 34.21. Максимальная спектральная плотность энергетической светимости (Mλ,T)max черного тела равна 4,16*1011 (Вт/м2)/м. На какую длину волны λm она приходится? 34.22. Температура Т черного тела равна 2 кК. Определить: 1) спектральную плотность энергетической светимости (Mλ,T) для длины волны λ=600 нм; 2) энергетическую светимость Me в интервале 364 длин волн от λ1=590 нм до λ2 =610 нм. Принять, что средняя спектральная плотность энергетической светимости тела в этом интервале равна значению, найденному для длины волны λ=600 нм. 365